СТУ / Лекции по ОСТ / 3

Режим работы УП

В зависимости от того, как доля периода усиливаемого колебания синусоидальной формы, ток протекает через усилительный элемент.

Различают несколько режимов работы.

1 Режим А

Он характеризуется тем, что путем подачи постоянного смещения ИРТ транзистора, выбирается при сравнительно большом токе. Поэтому ток коллектора не прерывается в течение всего периода колебаний. Режим А дает полные нелинейные искажения.

2 Режим В

Исходная рабочая точка совмещается с началом передаточной характеристики (рисунок 2.). Выходной ток транзистора (i_К) в отсутствие сигнала практически равен 0, что делает режим покоя экономичным. При наличии входного сигнала ток через транзистор протекает только в течение половины периода.

Половина длительности каждого импульса выходного тока транзистора, выраженная в радианах или градусах угла текущей фазы ωt, называется углом отсечки θ.

В режиме В . Полуволны отрицательной полярности транзистором не пропускаются. Высокий КПД.

3 Режим АВ

Рабочую точку А выбирают на середине начального криволинейного участка передаточной характеристики транзистора. В результате импульсы токи коллектора оказываются шире половины периода и угол отсечки θ>90 (рисунок 3.). Режим АВ является основным для двухтактных каскадов. Потребляется некоторый ток покоя, но КПД лишь незначительно ниже, чем в режиме В. Преимущество – отсутствие искажений, вызванных кривизной начального участка п передаточной характеристики.

4 Режим С

Характеризуется выбором ИРТ в области замирания транзистора, в результате чего угол отсечки θ>90 (рисунок 4.). Режим С применяется в радиопередающих устройствах.

5 Режим Д

Режим Д или ключевой режим работы транзистора состоит в том, что на его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью отпирающие и запирающие транзистор. Транзистор используется в качестве включателя или ключа. Он всегда находится в одном из крайних состояний: «полностью открытом» или «полностью закрытом».

В первом из них падение напряжения между выходными электродами транзистора близко к 0, во вторых его ток близок к 0. Поэтому потери энергии в транзисторе ничтожно малы.

Переброс из одного состояния в другое – мгновенно. Режим Д позволяет получить большой КПД.

Схемы питания транзистора

Для того, чтобы транзистор в схеме мог выполнить функцию усиления и преобразования сигналов, он должен получать энергетическое питание в виде постоянных токов. Силами токов, протекающих через транзистор и значениями напряжений, приложенных к соответствующим выводам транзистора, определяется режим работы транзистора, а на ВАХ – положение рабочей точки.

Возможны два варианта выходных цепей:

1 – ый:

нагрузка, транзистор и источник питания соединены последовательно (рисунок 5.), (встречается редко, исключение представляет каскадная схема).

2– ой:

нагрузку к транзистору подключают параллельно (рисунок 6.). Для подачи питания на транзистор включают дроссель L или резистор R. Емкость С_р - разделительная, пропускает в нагрузку переменный ток и не пропускает постоянный.

Биполярный транзистор управляет током, то входная цепь каскада может питаться от источника тока и источника напряжения (рисунок 7.).

Полевой транзистор управляется напряжением, поэтому его входная цепь питается источником напряжения. Источники питания входной цепи предназначены для установки режима усилительного элемента – для смещения рабочей точки в выбранный участок ВАХ.

В реальных усилителях использование отдельных источников питания вх. и вых. цепей нерационально. Т.к. напряжение базы и коллектора биполярного транзистора одинаковых знаков, то простейший источник тока смещения базы можно получить, подключая через R₁ источник вых. цепи.

Источник напряжения смещения базы образуется с помощью делителя напряжения питания вых. цепи. Для независимости напряжения смещения базы от силы тока базы выбирают ток через делитель R₁и R₂, значительно больше постоянной составляющей тока базы:

ВАХ транзисторов меняются при изменении температуры транзистора, поэтому источником смещения установленная рабочая точка при изменении t перемещается по ВАХ. Изменение положения рабочей точки может привести к возрастанию нелинейных искажений, изменению температурного режима транзистора и др.

Температурная нестабильность характеристик БП обусловлена двумя причинами:

1. Изменение неуправляемого обратного тока коллектора;

2. Температурным сдвигом в.х. характеристики.

Основной составляющей неуправляемого обратного тока коллектора является тепловой ток.

Принципы и схемы обеспечения заданного положения ИРТ в каскаде на биполярном транзисторе

Требования, которым должна отвечать схема современного электронного устройства является его пригодность, минимальное число настроечно – наладочных операций.

Необходимо обеспечить высокую стабильность работы на постоянном токе, малую зависимость этих режимов от свойств конкретного транзистора и условий его работы.

1. Схема с фиксированным током базы

Положение ИРТ стремятся задавать за счет выбора определенного значения тока базы I_БО.

Эта схема (рисунок 9.) с фиксированным током базы, т.е. ток базы не зависит от свойств конкретного транзистора, а воздействия дестабилизирующих факторов. Такая независимость обусловлены ходом сквозной передаточной ВАХ биполярного транзистора.

Для кремниевых транзисторов малой и средней мощности номинальное напряжение U_БЭ =0,7 В.

Технологические и температурные вариации ∆ U_БЭ напряжения U_БЭ0 не превышают 50 – 70 мВ. В связи с этим пренебрежимо малым оказываются и возможные вариации ∆ I_Б

Несмотря на простоту организации и очевидность, схема с фиксированным током базы не находит широкого применения, т.к. они не могут обеспечить высокой стабильности и определенности положений ИРТ. Это связано с тем, что у биполярных транзисторов наблюдается разброс значений коэффициента передачи тока базы β.

I_КО≈ I_БОβ, то при фиксированном токе I_БО ток I_КО в различных экземплярах усилительных схем при бесподмерочной технологии изготовления может существенно отличаться.

2. Схема эмиттерно – базовой стабидизации

I_дел>> I_БО ≈

Потенциал базового вывода транзистора питается от низкоомной цепи, например от резистивного делителя. При фиксированных значениях питающих напряжений +Е_П и - Е_П, потенциал U_БО не зависит от покоя базы I_БО, т.е. от свойств конкретного транзистора и называется потенциалом базы: U₀= U_БО- Е_П(-).

Разность потенциалов на резисторе R₂ не зависит от свойств конкретного резистора. Эта разность называется токозадающей разностью потенциалов (U₀).

Для создания тока в транзисторе значение U₀ должно быть не меньше номинального напряжения U_БЭ0.

Т.о. в усилительном каскаде потенциал U_БЭ передается к его эмиттеру, за вычетом номинального напряжения U_БЭ0 (0,65-0,7 В). Тогда независимо от свойств конкретного транзистора .

Отклонение ∆ I_К коллекторного тока I_К0 из-за вариаций ∆ U_БЭ разности потенциалов U_БЭ0 тем меньше, чем больше значение сопротивления имеет резистор R₀ .

Поэтому с точки зрения стабильности и определенности положения ИРТ желательно, чтобы выбор значений R₀ и U_Э0 обеспечивал выполнение условий и

Обычно приемлемая определенность тока коллектора наблюдается при U_Э0>1…2В.

С точки зрения обеспечения стабильности тока I_К0, малой зависимости этого тока от конкретных свойств транзистора и возможных температурных изменений, желательно, чтобы выполнились соотношения:

и где

Обобщенная эквивалентная схема каскада для анализа его работы по постоянному току

С помощью обобщенных эквивалентных схем удобно осуществлять анализ воздействия демобилизирующих факторов на положение ИРТ в каскаде, введя в эти схемы соответствующие генераторы токов и ЭДС (рисунок 12.), представляющие эквиваленты демобилизирующих факторов, действия которых проявляются в самом транзисторе независимо от схемы его включения. К таким факторам относятся:

1. неопределенность ∆ I_БЭ разности потенциалов база – эмиттер U_БЭ0 при данном значении тока коллектора I_К0;

2. неопределенность ∆ β коэффициента передачи тока базы β, ;

3. неопределенность ∆ I_0К обратного тока I_0К перехода база – коллектор.

Перечисленные неопределенности параметров обусловлены как технологическим разбросом, так и температурными изменениями, происходящими в схеме усилительного каскада.

Рассмотрим температурные воздействия на характеристики транзистора – для биполярного транзистора:

С учетом этих поправок при перерасчете всех источников нестабильности, к электродам транзистора подключаем эти источники нестабильности.